​​​Специалисты томского Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) показали, как применение ультразвуковых колебаний при лазерной сварке влияет на структуру и прочность сварных соединений из конструкционной стали. Результаты исследования опубликованы в Journal of Constructional Steel Research

Лазерная сварка является современным и эффективным способом соединения металлических материалов, в том числе сталей различных классов. Специфику лазерной сварки составляют чрезвычайно высокие скорости нагрева и охлаждения в узкой зоне локального взаимодействия лазерного луча и свариваемого металла. В этих условиях становится невозможным применение общепринятых представлений о закономерностях формировании структуры и свойств сварного соединения, а значит, и прогнозирование надежности сварного соединения. Так, при лазерной сварке конструкционных сталей резкое изменение условий нагрева до температур расплавления и последующего быстрого охлаждения приводит к образованию в структуре шва хрупких игольчатых структур, известных как структура Видманштетта. У стали с такой структурой снижаются прочностные свойства и пластичность, что является одной из основных причин, сдерживающих широкое внедрение лазерной технологии сварки в ведущих отраслях промышленности, таких как судостроение, авиакосмическое машиностроение, транспортное машиностроение, наиболее широко использующих технологии сварки конструкционной стали.
 
Решение этой задачи потребовало поиска таких методов внешнего воздействия на кристаллизационные процессы в ванне расплава при лазерной сварке, которые позволили бы компенсировать снижение прочностных свойств сварного шва за счет подавления роста пластин видманштеттова феррита.
 
Одним из примеров такого решения является способ инокулирования расплава сварочной ванны ультрадисперсными тугоплавкими частицами, дающий возможность контролирования кристаллизационных процессов за счет возникновения большого количества центров кристаллизации в расплаве, что способствует формированию мелкокристаллической структуры сплава при затвердевании. Модификаторы вводятся в сварочную ванну путем предварительного нанесения их в виде суспензий на свариваемые кромки. Основной сдерживающей причиной широкого использования этого способа в промышленности является высокая стоимость модификаторов, что экономически неоправданно при сварке больших объемов сталей конструкционного назначения.
 
Вместе с тем известно положительное влияние ультразвука на структуру и свойства сварных и паяных соединений. Под действием колебаний высокой частоты отмечается измельчение элементов дендритной структуры, уменьшение остаточных напряжений. Однако существующие приемы подвода ультразвука в сварочную ванну неприменимы для технологии лазерной сварки из-за малой продолжительности процесса расплавления и затвердевания металла.​​
 
Томские ученые разработали интеллектуальную технологию лазерной сварки с ультразвуковым воздействием. Суть метода заключается в наложении ультразвукового воздействия на свариваемые детали в процессе лазерной сварки, что обеспечило значительные изменения в морфологии микроструктуры всех участков сварного соединения. 
 
Для ультразвуковой обработки сварного шва был разработан и изготовлен блок ультразвукового воздействия. В его состав входит генератор, продуцирующий и передающий ультразвуковые колебания на магнитострикционный преобразователь, который помещен в корпус с жидкостным охлаждением и соединен с волноводом. Волновод устанавливается и фиксируется на заготовке материала для передачи ультразвуковых колебаний.
 
Непосредственным результатом ультразвукового воздействия следует считать устранение видманштеттовых структур, формирование ультрамелкозернистой структуры и снижение пористости в сварном шве, что является благоприятным фактором, положительно влияющим на прочность сварного соединения. 
 
Таким образом, применение ультразвукового воздействия на сварочную ванну позволяет решить задачу получения однородной конечной структуры при сверхбыстром нагреве и охлаждении конструкционных сталей с резко дифференцированными структурными составляющими.
 
Способ лазерной сварки с ультразвуковым воздействием и устройство для реализации этого процесса защищены патентом РФ (R2 2704 874 C1), а разработанная в ИФПМ СО РАН технология лазерной сварки конструкционных сталей успешно применяется на предприятии ЗАО «Чебоксарское предприятие “Сеспель”» при сварке крупногабаритных танк-контейнеров для перевозки сжиженного газа и опасных химических грузов.
 
Автор: Анастасия Федотова.
 
Фото предоставлено исследователями.

Похожие новости

  • 09/04/2019

    Три экспериментальные разработки томских ученых проверят на МКС

    ​Институт физики прочности и материаловедения СО РАН и РКК «Энергия» вместе с ТПУ и ТГУ готовят эксперименты, которые проведут на Международной космической станции. Как сообщили НИА Томск в пресс-службе администрации Томской области, ученые ИФПМ СО РАН и ТПУ завершили разработку конструкторской документации для изготовления российского 3D-принтера, который сможет работать в космосе и изготавливать детали из полимерного волокна на борту МКС.
    949
  • 12/11/2019

    В Томске создадут новые высокотехнологичные производства

    ​Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) в кооперации с ведущими университетами и промышленными предприятиями России стал победителем конкурса на право получения субсидий для реализации комплексных проектов по созданию высокотехнологичных производств в рамках постановления Правительства РФ.
    775
  • 04/09/2019

    Цитируемые ученые ТПУ: катализаторы из золота и оболочки для ТВЭЛов

    ​Проект «Цитируемые ученые ТПУ» подводит итоги публикационной активности ученых Томского политехнического университета за летний период. Самый высокоцитируемый соавтор статей ученых ТПУ имеет индекс Хирша 75, а самый высокорейтинговый журнал — импакт-фактор 9,405 (Green Chemistry, Q1).
    1212
  • 01/11/2018

    Ученые из Томска и Вьетнама создадут установки для очистки воды

    ​Томский Институт физики прочности и материаловедения (ИФПМ) СО РАН планирует создать новую мобильную систему для очистки воды. Разработка станет совместным проектом сибирских ученых и их коллег из Российско-Вьетнамского тропического научно-исследовательского и технологического центра при поддержке компании Sunny-Eco JSC.
    816
  • 25/09/2018

    Ученые ИФПМ СО РАН раскрывают потенциал высокоэнтропийных сплавов

    ​Молодые сотрудники ИФПМ СО РАН участвуют в реализации научного проекта «Роль стехиометрического состава и внутренней структуры в формировании свойств и зарождении пластической деформации в высокоэнтропийных сплавах CoCrFeMnNi» при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант № 17-79-10108.
    934
  • 25/12/2018

    Томские разработки пройдут тропические испытания во Вьетнаме

    ​Томский Институт физики прочности и материаловедения и Российско-Вьетнамский Тропический научно-исследовательский и технологический центр подписали соглашение об испытаниях новых материалов в условиях тропиков, а также о реализации совместных проектов.
    1264
  • 09/12/2019

    НГТУ НЭТИ представит свои разработки на «ВУЗПРОМЭКСПО—2019»

    ​11 декабря в Москве стартует Национальная выставка «ВУЗПРОМЭКСПО—2019», которая демонстрирует результаты реализации государственных и федеральных целевых программ в сфере науки и промышленности.  Инженеры и ученые НГТУ НЭТИ представят установку для in-situ исследования эволюции структуры металлов и сплавов в процессе сухого трения скольжения, которая предположительно будет использоваться в работах Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ»).
    851
  • 18/06/2020

    Цитируемые ученые ТПУ: ториевый реактор, циркониевая керамика и скаффолды, покрытые пленкой оксида графена

    ​Проект «Цитируемые ученые ТПУ» подводит итоги публикационной активности ученых Томского политехнического университета за май. Самый высокоцитируемый соавтор статей ученых ТПУ имеет индекс Хирша 38, а самый высокорейтинговый журнал — импакт-фактор 4,507.
    527
  • 04/09/2015

    Новое защитное покрытие - для космических кораблей

    ​​​​Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) совместно со специалистами Института физики прочности и материаловедения СО РАН представили специальное покрытие для стекол иллюминаторов космических кораблей, которое способно защитить их от пыли и космического мусора.
    2245
  • 13/10/2020

    Физики ТГУ улучшили сплавы с памятью формы для космоса и Арктики

    ​Сотрудники лаборатории физики высокопрочных кристаллов ТГУ первыми в мире получили структуру сплавов, обеспечивающую им особую способность к деформации и восстановлению исходной формы до 15 процентов.
    388